《岩体的力学性质》PPT课件.ppt

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1、第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质1第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质n4.1 岩体的变形性质岩体的变形性质 n4.2 岩体的强度性质岩体的强度性质n4.3 岩体的动力学性质（自学）岩体的动力学性质（自学）n4.4 岩体的水力学性质（自学）岩体的水力学性质（自学）第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质24.1 岩体的变形性质岩体的变形性质 一、岩体变形试验及其变形参数确定二、岩体变形参数估算 三、岩体变形曲线类型及其特征 四、影响岩体变形性质的因素在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形+结构变形的总和，结构变形包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等。岩块+结构面岩体岩

2、体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形一般情况下，岩体的结构变形起控制作用。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质3一、岩体变形试验及其变形参数确定承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质4n静力法基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。n动力法基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。第四章第四章 岩体的力

3、学性质岩体的力学性质51、承压板法、承压板法 刚性承压板法柔性承压板法第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质6是与承压板形状与刚度有关的系数。圆形板；方形板 第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质72、钻孔变形法、钻孔变形法 优点：优点：对岩体扰动小；可在地下水位下和较深部位进行；试验方向不受限制，压力可很大；一次试验可同时量测几个方向变形，便于研究岩体的各向异性。缺点：缺点：岩体体积小，代表性受到局限。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质83、狭缝法、狭缝法 第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质9常见岩体的弹性模量和变形模量 第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质10

4、几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量变形模量变形模量岩体比岩块小，受结构面发育程度及风化程岩体比岩块小，受结构面发育程度及风化程度等影响较明显。度等影响较明显。不同地质条件下同一岩体，不同地质条件下同一岩体，变形模量相差较大变形模量相差较大。试验试验方法方法、压力大小不同，岩体、压力大小不同，岩体变形模量变形模量不同。不同。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质11二、岩体变形参数估算n一，现场地质调查基础上，建立适当岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算。n二，在岩体质量评价和大量试验资料基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。第四章第四章 岩体的力

5、学性质岩体的力学性质121、层状岩体变形参数估算、层状岩体变形参数估算 地质力学模型地质力学模型n假设各岩层厚度相等=S，性质相同。n层面张开度可忽略不计n假设岩块变形参数：E，和G，层面变形参数：Kn，Ks。n取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。n由岩块和层面组成单元体。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质13（1 1）法向应力）法向应力n n作用下的岩体变形参数作用下的岩体变形参数 1)沿n加荷 2)沿t加荷第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质14(2)(2)剪应力作用下的岩体变形参数剪应力作用下的岩体变形参数 第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质152、裂隙岩体变形

6、参数的估算、裂隙岩体变形参数的估算（1）用）用RMR值估算岩体变形模量值估算岩体变形模量（2）用）用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量值估算纵波速度和岩体平均变形模量第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质16三、岩体变形曲线类型及其特征 1、法向变形曲线、法向变形曲线n直线型 n上凹型 n上凸型 n复合型 第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质17直线型n过原点，pf(W)KWn加压过程中，W随p成正比增加n岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。岩体刚度低、易变形由多组结构面切割且分布较均匀

7、；岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显塑性变形和回滞环，非弹性变形。陡直线型缓直线型第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质18上凹型pf(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW0层状及节理岩体岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分大。垂直层面加压的较坚硬层状岩体。卸压曲线较陡，变形多为塑性变形。软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。第二种情况第一种情况第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质19上凸型pf(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW20结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体复合型p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育

8、不均或岩性不均匀的岩体第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质202、剪切变形曲线、剪切变形曲线n峰值前：平均斜率小，破坏位移大；峰值后：应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。n峰值前：平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后：应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。n峰值前：斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后：应力降低，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质21 四、影响岩体变形性质的因素 影响因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。n结构面密度n结构面的张开度及充填特征第四章第

9、四章 岩体的力学性质岩体的力学性质22结构面方位第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质23第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质n4.1 岩体的变形性质岩体的变形性质 n4.2 岩体的强度性质岩体的强度性质n4.3 岩体的动力学性质（自学）岩体的动力学性质（自学）n4.4 岩体的水力学性质（自学）岩体的水力学性质（自学）第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质244.2 岩体的强度性质岩体的强度性质一、岩体的剪切强度 二、裂隙岩体的压缩强度 三、裂隙岩体强度的经验估算岩岩体体强强度度：岩岩体体抵抵抗抗外外力力破破坏坏的的能能力力。岩体强度不同于岩块的强度和结构面的强度，一般，其强度介

10、于二者之间。岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质25一、岩体的剪切强度 n剪切强度：岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。n剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。n抗剪断强度：任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。n抗剪强度是：任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。n抗切强度：剪切面上的法向应力=0时的抗剪断强度。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质261、原位岩体剪切试验及其强度参数确定、原位岩体剪切试验及其强度参数确定双千斤顶法直剪试验 第四章第四章

11、岩体的力学性质岩体的力学性质27第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质28n-u曲线及-法向变形(W)曲线。n剪切强度曲线及剪切强度参数Cm，m值 第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质29各类岩体的剪切强度参数表：岩体岩块；C：岩体 静弹性模量 n坚硬完整岩体Ed/Emen风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme ，大者 n原因：静力法采用的最大应力，少数则更大，变形量以mm计，而动力法的作用应力 104MPa量级，引起的变形量很微小。因此静力法会测得较大的不可逆变形，而动力法则测不到这种变形。静力法持续的时间较长。静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。动弹性模量与静弹性模量的关系

12、第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质48用动弹性模量换算静弹性模量 利用岩块与岩体的纵波速度计算岩体完整性系数Kv第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质492、动力强度参数、动力强度参数 n静态加载、准静态加载：应变率104s-1 动态加载下岩石的强度比静态加载时的强度高。冲击荷载下岩石的动抗压强度静抗压强度的倍。原因：时间效应，加载速率缓慢，岩石中的塑性变形得以充分发展，反映出强度较低；反之，在动态加载下，塑性变形来不及发展，则反映出较高的强度。特别是在爆破等冲击荷载作用下，岩体强度提高尤为明显。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质50岩石在不同荷载速率下的强度值利用岩块与岩

13、体的纵波速度计算岩体强度第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质514.4 岩体的水力学性质岩体的水力学性质n玛 尔 帕 塞 拱 坝 溃 坝岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。水在岩体中的作用：1.水对岩石的物理化学作用；2.水与岩体（或应力）相互耦合作用下的力学效应。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质52一、单个结构面的水力特征 二、裂隙岩体的水力特征 三、应力对岩体渗透性能的影响四、渗流应力研究模型：1.用等效连续介质模型研究，认为裂隙岩体是由空隙性差而导水性强的结构面系统和导水性弱的岩块孔隙系统构成的双重连续介质；2.把岩体看成为单纯的按几何规律分布的裂隙介质，用裂隙水力学参

14、数或几何参数来表征裂隙岩体的渗透空间结构。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质53一、单个结构面的水力特征1、平直光滑无充填贯通结构面、平直光滑无充填贯通结构面 假设如图，有微分方程牛顿粘滞定律平均流速边界条件第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质542、非平直光滑无充填贯通结构面、非平直光滑无充填贯通结构面 K2：结构面的面连续性系数C：结构面的相对粗糙修正系数 H：结构面起伏差 ：水的运动粘滞系数（cm2/s），第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质55二、裂隙岩体的水力特征1、含一组结构面岩体、含一组结构面岩体的渗透性能的渗透性能 n设结构面张开度e，间距为S，渗透系数为K

15、f；岩块的渗透系数为Km。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质562、含多组结构面岩体的渗透性能、含多组结构面岩体的渗透性能 n根据结构面发育的随机性，借助计算机搜索出一定范围内的连通结构面网络图，在此基础上，进一步计算岩体的渗透张量。第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质573、岩体渗透系数的测试、岩体渗透系数的测试 n抽水试验 n压水试验n岩体单位吸水量是指单位试验压力下、单位长度试段在单位时间内的岩体的吸水量。当试验段底与下部隔水层的距离大于试验段长度时，a=0.66,反之第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质58透水率q的确定（吕荣试验）透水率q单位吕荣（Lu）：当试段压

16、力为1MPa时，每米试段的压入流量。吕荣试验的基本要点自上而下单栓塞分段压水，试段长5m，相邻试段互相衔接每试段按三级压力（p1p2p3）、五个阶段（p1-p2-p3-p2-p1）进行，p1，p2，p3 试验钻孔采用59150mm孔径第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质59岩体渗透性分级岩体渗透性分级渗透性等级标准岩体特征渗透系数(cm/s)透水率q（Lu）极微透水 010-600.1含张开度0.025mm裂隙的岩体微透水10-610-50.11含张开度0.0250.05mm裂隙弱透水10-510-4110含张开度0.050.1mm裂隙中等透水 10-410-210100含张开度0.10

17、.5mm裂隙强透水10-21100含张开度0.52.5mm裂隙极强透水 1含张开度2.5mm裂隙或连通孔洞第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质60三、应力对岩体渗透性能的影响n岩体的渗透系数随应力增加而降低。n随岩体埋深的增加，结构面的密度和张开度相应减小，所以岩体的渗透性也随深度增加而减小。n人类工程活动对岩体渗透性有很大影响，如地下洞室和边坡的开挖、水库的修建等，也都影响到岩体的渗透性能。经验关系式经验关系式第四章第四章 岩体的力学性质岩体的力学性质61四、渗流应力n当岩体中存在着渗透水流时，位于地下水面以下的岩体将受到渗流静水压力和动水压力的作用，这两种渗流应力又称为渗流体积力渗流体积力。